抗凝冰乳化瀝青涂層的性能研究

唐士潤 張興軍 馬偉中 汪首元

（1 甘肅公路發(fā)展集團(tuán)有限公司 甘肅省高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省公路路網(wǎng)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

道路路面積雪結(jié)冰問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了冬季公路交通安全[1]。各國道路交通部門多年來開展了大量的研究工作，探索出了多種道路表面積雪結(jié)冰清除技術(shù)和方法。其中，基于橡膠顆粒的自應(yīng)力彈性瀝青路面鋪裝技術(shù)、抗凝冰瀝青路面鋪裝技術(shù)都主要應(yīng)用于新建公路路面除冰雪，不能解決已通車路面的融雪難題[2-4]。而撒布融雪劑和砂石材料、人工和機(jī)械清除積雪、熱力融雪等被動(dòng)清除路面積雪的方法雖然可以應(yīng)用于通車路面融雪，但是，這些措施效率較低[5]。為此，開發(fā)抗凝冰涂層材料對(duì)于解決路面融雪化冰難題可以提供一種途徑?？鼓榛癁r青涂層主要結(jié)合霧封層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，將防止積雪結(jié)冰的融雪材料按一定比例加入乳化瀝青粘結(jié)材料中，并涂灑于道路表面，從而起到路面養(yǎng)護(hù)和抗凝冰的作用[6]。本文采用自制融雪劑制備抗凝冰乳化瀝青涂層，對(duì)涂層材料與集料的粘附性能、抗滑性能與抗凝冰性能進(jìn)行分析測(cè)試，得出適用于冬季路面養(yǎng)護(hù)的抗凝冰材料，為冬季預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施提供借鑒。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料

采用的乳化瀝青為陽離子慢裂快凝型乳化瀝青，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求對(duì)其進(jìn)行基本指標(biāo)的檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

本文使用了課題組自主研發(fā)的抗凝冰材料。首先將醋酸鉀、醋酸鈉、醋酸銨、氯化鈉等原材料進(jìn)行干燥，待其恒溫質(zhì)量無變化時(shí)將其碾碎、研磨至晶體或粉末狀；然后按照得到的最優(yōu)配比分別稱取醋酸鉀、醋酸鈉、醋酸銨和氯化鈉，將其放置于可攪拌容器中對(duì)其進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，?wù)必使其混合均勻；最后將攪拌均勻的混合物再次進(jìn)行干燥，待其干燥完畢后再次將其碾碎、研磨至粉末狀，密封保存。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

以陽離子乳化瀝青為載體，將自制固態(tài)型融雪劑按乳化瀝青質(zhì)量的5%、10%、15%加入乳化瀝青中，高速剪切混合均勻成涂層乳液，并對(duì)其粘附性能、抗滑性能和抗凝冰性能等主要性能進(jìn)行了研究。

2 抗凝冰乳化瀝青涂層粘附性能

為確?？鼓榛癁r青涂層噴涂于路面上與集料粘結(jié)牢固，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中乳化瀝青與粗集料粘附性的試驗(yàn)方法，對(duì)摻配不同比例自制固態(tài)型融雪劑抗凝冰乳化瀝青混合液與石灰?guī)r粗集料的粘附性進(jìn)行了驗(yàn)證評(píng)價(jià)。以普通乳化瀝青為參照組，對(duì)比分析了自制固態(tài)型融雪劑對(duì)乳化瀝青粘附性和表觀形貌的影響。

圖1 抗凝冰乳化瀝青涂層粘附性對(duì)比

如圖1可知，在水煮之前，包裹在集料表面的抗凝冰乳化瀝青涂層與乳化瀝青本來的形態(tài)有很大不同。破乳后的乳化瀝青均勻的裹覆在集料表面，且呈現(xiàn)出瀝青自身的黑色，而摻入融雪劑后，抗凝冰乳化瀝青混合液在破乳后同樣可以均勻的裹覆在集料表面，但涂層的顏色變暗，較乳化瀝青變得有點(diǎn)干枯，涂層表面出現(xiàn)凸起的細(xì)小白色顆粒物，且隨著摻配比例的增大，顏色變化越明顯，白色顆粒物也越多。經(jīng)過水煮后的乳化瀝青未出現(xiàn)剝落，與水煮前相比變化不太明顯，表明其與集料的粘附性良好?？鼓榛癁r青混合液在水煮后同樣未發(fā)生剝落現(xiàn)象，表明自制固態(tài)型融雪劑對(duì)乳化瀝青與集料的粘附性沒有產(chǎn)生影響。但出現(xiàn)了比較明顯的變化是水煮后的抗凝冰乳化瀝青涂層恢復(fù)了本來的黑色，其表面變得較為粗糙。產(chǎn)生明顯不同的原因是自制固態(tài)型融雪劑在摻入乳化瀝青中后溶解于水中，待其破乳后，分散在乳化瀝青中的融雪劑蒸發(fā)結(jié)晶，從而出現(xiàn)了白色的顆粒物，在水煮后，涂層表面的融雪劑又再次被溶解，乳化瀝青本來的顏色得以恢復(fù)，且出現(xiàn)了細(xì)小的坑槽，表面變得粗糙。

3 抗凝冰乳化瀝青涂層抗滑性能

通常霧封層施工時(shí)乳化瀝青灑布量控制在0.3kg/m2～0.7kg/m2，本節(jié)采用制備的普通瀝青混合料的車轍試件為原始路面，選取抗凝冰乳化瀝青混合液的灑布量為0.6 kg/m2，按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60-2008），利用擺式摩擦儀測(cè)試了摻配不同比例的抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數(shù)，對(duì)抗凝冰乳化瀝青涂層的抗滑性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

表1 抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數(shù)

從表1可以看出，在車轍試件上涂刷乳化瀝青后，其摩擦系數(shù)降低了25.9%，摻配質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%和15%融雪劑的抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數(shù)分別降低了27.7%、33.1%，36.8%。由此可見，摻配融雪劑后乳化瀝青涂層的摩擦系數(shù)有所降低，且隨著摻配比例的增大，抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數(shù)均不同程度的降低了。說明在測(cè)試路面摩擦系數(shù)時(shí)，噴灑的水溶解了抗凝冰乳化瀝青涂層表面中的融雪劑，融雪劑溶液的存在使得測(cè)出的摩擦系數(shù)有所降低，表明抗凝冰乳化瀝青涂層降低了路面的抗滑性能。

4 抗凝冰乳化瀝青涂層抗凝冰性能

4.1 粘結(jié)力測(cè)試

圖2 抗凝冰乳化瀝青涂層與結(jié)冰海綿的粘結(jié)力

圖3 抗凝冰乳化瀝青圖層浸泡前后外觀圖

通過測(cè)試抗凝冰乳化瀝青涂層與結(jié)冰海綿之間粘結(jié)力用以分析抗凝冰瀝青涂層的抗凝冰性能，該測(cè)試方法類似于抗凝冰瀝青混合料的，不同之處是將不同摻配比例的抗凝冰乳化瀝青混合液按0.6 kg/m2的灑布量均勻涂刷于直徑100mm 的培養(yǎng)皿中，靜置24h 后，再將充分吸水飽和的海綿置于載有抗凝冰乳化瀝青涂層的培養(yǎng)皿中，然后放于-10℃的冰箱中冷凍5h，待整個(gè)海綿中的水凍結(jié)成冰后取出測(cè)試粘結(jié)力，其結(jié)果如圖2所示。

如圖2可知，相比于乳化瀝青與結(jié)冰海綿之間的粘結(jié)力，抗凝冰乳化瀝青涂層與結(jié)冰海綿之間的粘結(jié)力均有所降低，且摻配比例越大，降低幅度越明顯，摻配比例為5%、10%、15%的抗凝冰乳化瀝青涂層與結(jié)冰海綿的粘結(jié)力分別降低了42.6%、68.9%、90.2%。說明抗凝冰乳化瀝青涂層表面的融雪劑溶解于水中，在涂層和海綿之間形成了一層融雪劑溶液，從而有效的緩解了冰結(jié)的硬度并延遲了結(jié)冰時(shí)間。表明抗凝冰乳化瀝青涂層具有較明顯的防止其表面結(jié)冰的作用。

4.2 電導(dǎo)率測(cè)試

按照前節(jié)所述的灑布量在直徑100mm 的培養(yǎng)皿中均勻涂刷不同摻配比例的抗凝冰乳化瀝青混合液，靜置24h后將其置于2000mL 的燒杯中，利用電導(dǎo)率儀監(jiān)測(cè)不同抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡液體的電導(dǎo)率隨浸泡時(shí)間的變化情況。圖3為抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡前后外觀圖，圖4為抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡液體的電導(dǎo)率。

圖4 抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡液體的電導(dǎo)率

如圖3可知，未浸泡前，抗凝冰乳化瀝青涂層與普通乳化瀝青涂層有所不同，隨著自制固態(tài)融雪劑摻配比例的增大，乳化瀝青涂層圓潤、亮黑色的外觀逐漸變?yōu)楦煽荨⒒疑?。與前展現(xiàn)出不同的地方是，經(jīng)過涂刷的涂層表面沒有出現(xiàn)凸起的細(xì)小顆粒物，說明涂刷作用使乳化瀝青更好地包裹住了融雪劑。浸泡后的抗凝冰乳化瀝青涂層卻與普通乳化瀝青涂層極為相似，僅是原有光滑的表面變得粗糙，表明其表面的融雪劑在水中不斷析出溶解，從而形成一定的粗糙度，并恢復(fù)了乳化瀝青自身的黑色。

如圖4可知，普通乳化瀝青涂層浸泡液體的電導(dǎo)率值隨著浸泡時(shí)間的持續(xù)變化不大，而抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡液體的電導(dǎo)率值隨著浸泡時(shí)間的持續(xù)而不斷升高，其規(guī)律與抗凝冰瀝青混合料的相似，不同的是抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡1h 后浸泡液體的電導(dǎo)率值升高最明顯，且隨著自制固態(tài)融雪劑的摻配比例越大，其升高幅度越大，而1h 后，浸泡液體的電導(dǎo)率值有所升高，但幅度明顯降低。其原因是抗凝冰乳化瀝青涂層的表面能夠被水分輕易地浸入，從而迅速溶解了分散于其中的的融雪劑，致使浸泡液體的電導(dǎo)率值突然升高。但抗凝冰乳化瀝青涂層不同于抗凝冰瀝青混合料，沒有集料骨架提供的空隙，且涂層表面溶解掉的融雪劑提供的微小空隙與下部分散的融雪劑占有空間不能形成連通空隙，水分浸入其中比較困難，因此浸泡液體后續(xù)的升高幅度明顯減緩。

5 結(jié)語

1）利用水煮法評(píng)價(jià)了抗凝冰乳化瀝青混合液與集料的粘附性，發(fā)現(xiàn)固態(tài)添加型融雪劑對(duì)乳化瀝青與集料的粘附性影響不大，但隨著固態(tài)添加型融雪劑摻配比例的增大，抗凝冰乳化瀝青涂層的外觀顏色變暗，且出現(xiàn)了細(xì)小的白色顆粒物。

2）利用擺式摩擦儀測(cè)試了抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著固態(tài)添加型融雪劑摻配比例的增大，抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)不同程度的降低，但都能滿足規(guī)范要求。

3）利用粘結(jié)力測(cè)試方法和電導(dǎo)率測(cè)試方法評(píng)價(jià)了抗凝冰乳化瀝青涂層的抗凝冰性能，發(fā)現(xiàn)隨著固態(tài)添加型融雪劑摻配比例的增大，抗凝冰乳化瀝青涂層具有更好的抗凝冰性能，但隨著時(shí)間的持續(xù)其緩釋效果較低。